JPWO2016063325A1 - 走査電子顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
Description
(1−1)装置構成
(全体構成)
図2に、本実施例に係る走査電子顕微鏡100の全体構成例を示す。走査電子顕微鏡100は、鏡筒(カラム)10、試料室121、各種の電源、及び制御部を有している。前記各種の電源として、例えば電源ユニット122(加速電圧電源123、引出電圧電源124)、ブースター電圧電源126を用意する。加速電圧電源123は電子源101に接続され、引出電圧電源124は引出電極102に接続され、ブースター電圧電源126は、ブースター制御基板127を介して、アノード電極103とブースター電極144に接続される。制御部は、制御マイコン/制御PC131、モニターディスプレイ132、キーボード133、マウス134、検出制御器135を有している。
図1に、電子源101及びその周辺部分の装置構成を示す。図1は、電子源周りの装置構成をある断面について表している。鏡筒(カラム)10内に現れる各部材の多くは、電子源101を延長した軸線に対して略回転対称の形状を有している。
続いて、本実施例に係る走査電子顕微鏡内で発生する現象を説明する。前述したように、アノード電極103は、引出電極102の電位よりも高い電位に保持される。このため、一次電子ビーム111がアノード電極103に衝突した際に発生される二次的な電子(二次電子や反射電子)112は、引出電極102の方に辿り着くことはできず、アノード電極103に再度衝突する。この再度の衝突により、二次的な電子113が発生される。
引出電極102より上流側の真空チャンバ(電子源101を含む)と、引出電極102より下流側の真空チャンバ(アノード電極103を含む)とを異なる真空チャンバとして独立に設け、各真空チャンバにそれぞれメイン真空ポンプを接続した走査電子顕微鏡。
比較例1の構成に加え、引出電極102より上流側の真空チャンバ(電子源101を含む)にのみサブ真空ポンプを接続した走査電子顕微鏡。
本実施例の構造の採用により、CFE電子源から引き出された一次電子ビーム111を2kV以下の加速電圧で加速する場合でも(CFE電子源とブースティング法を組み合わせる場合でも)、エミッション電流やプローブ電流を安定に動作させて、高分解能の画像を得ることができる。このため、試料が磁性体の場合や試料の形状が平坦ではない場合にもSEMによる観察が可能となり、ユーザの利便性が飛躍的に向上する。なお、本実施例では、走査電子顕微鏡について説明したが、本実施例の顕微鏡構造は、FIBとSEMが共存する複合荷電粒子線装置にも適用できる。後続する実施例についても同様である。
(2−1)装置構成
図4に、本実施例に係る走査電子顕微鏡を構成する電子源及びその周辺部分の装置構成を示す。図4には、図1との対応部分に同一符号を付して示している。図4が図1と相違する点の1つは、ガイシ109の外周部がその全周に亘って鏡筒(カラム)10の内壁面に直接固定され、結果的に独立した2つの真空チャンバが設けられる点である。すなわち、本実施例に係る走査電子顕微鏡では、引出電極102より上流側の空間を仕切る真空チャンバ105A(電子源101を含む)と、引出電極102より下流側の空間を仕切る真空チャンバ105B(アノード電極103を含む)が独立に設けられる。
前述の第1及び第2の実施例では、ガイシ104Aに対する二次的な電子113の衝突により発生したガス114を真空チャンバ内から十分に排気するための技術について説明したが、本実施例ではガス114の発生自体を抑制できる構造について説明する。
図5に、本実施例に係る走査電子顕微鏡を構成する電子源及びその周辺部分の装置構成を示す。図5には、図1との対応部分に同一符号を付して示している。すなわち、本実施例の場合、1つの真空チャンバ105内に電子源101とアノード電極103の両方が含まれる構造を前提とする。図5が図1と相違する点は、絶縁フランジ118に対するガイシ117とアノード電極103の取り付け構造である。
本実施例の顕微鏡構造を採用する場合、CFE電子源から引き出された一次電子ビーム111を2kV以下の加速電圧で加速する場合でも(CFE電子源とブースティング法を組み合わせる場合でも)、アノード電極103で発生した二次的な電子113とガイシ117の衝突を防ぐことができる。このため、前述の実施例と同様、エミッション電流やプローブ電流を安定に動作させて、高分解能の画像を得ることができる。しかも、本実施例の場合には、本質的にガス114が発生しないため、実施例1の場合よりも、電子源101の周辺状態を良好に保ちつつ走査電子顕微鏡を使用することができる。なお、本実施例の顕微鏡構造は、第2の実施例(図4)にも適用することができる。
図6に、本実施例に係る走査電子顕微鏡を構成する電子源及びその周辺部分の装置構成を示す。図6には、図5との対応部分に同一符号を付して示している。図6が図5と相違する点は、アノード電極103の形状である。本実施例におけるアノード電極103は、断面L字形状を形成する構造体が、アノード電極103の外周縁に沿うように、その下面から下方に突出するスカート状の部材として形成される点で相違する。ただし、ここでのスカート状の部材は、絶縁フランジ118とは非接触である。スカート状の部材は、アノード電極103と絶縁フランジ118との間に形成される隙間を小さくし、二次的な電子113の回り込みによるガイシ117との衝突を一段と難しくする働きをする。
図7に、本実施例に係る走査電子顕微鏡を構成する電子源及びその周辺部分の装置構成を示す。図7には、図6との対応部分に同一符号を付して示している。図7が図6と相違する点は、アノード電極103の形状である。本実施例におけるアノード電極103は、断面L字形状を形成する構造体が、アノード電極103の外周縁に沿うように、その上面から上方に突出する壁構造体として形成される点で、第4の実施例の構造と相違する。
図8に、本実施例に係る走査電子顕微鏡を構成する電子源及びその周辺部分の装置構成を示す。図8には、図7との対応部分に同一符号を付して示している。図8が図7と相違する点は、アノード電極103の絶縁フランジ118に対する取り付け構造である。具体的には、外周縁に沿ってアノード電極103の上面から上方に突出する壁構造体の上端付近の外側面にてガイシ117と接続され、当該ガイシ117を通じて絶縁フランジ118に取り付けられている円筒115に取り付けられる点である。図8の場合、ガイシ117は、横穴115Aより下の位置で円筒115に取り付けられる。もっとも、取り付け構造は、これに限らず、ガイシ109とガイシ117が、鏡筒(カラム)10に直接取り付けられる構造でも良い。
図9に、本実施例に係る走査電子顕微鏡を構成する電子源及びその周辺部分の装置構成を示す。図9には、図1との対応部分に同一符号を付して示している。図9が図1と相違する点は、引出電極102とアノード電極103の間に、制御電極120が配置されている点である。制御電極120は、引出電極102とアノード電極103のレンズ作用によって一次電子ビーム111の光源位置が変化しないように調整し(すなわち、光源位置を一定に保ち)、電子光学系の制御精度の向上を図る目的で設置される部材である。
図10に、本実施例に係る走査電子顕微鏡を構成する電子源及びその周辺部分の装置構成を示す。図10には、図1との対応部分に同一符号を付して示している。図10が図1と相違する点は、引出電極102とアノード電極103の間に、モノクロメータユニット128が配置されている点である。モノクロメータユニット128は、電子源101から放出される一次電子ビーム111のエネルギー幅を低減するためのものであれば、どのような構造でも良い。
本発明は、上述した実施例の構成に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば上述した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために、一部の実施例について詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備える必要は無い。また、ある実施例の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成に他の構成を追加し、又は、各実施例の一部構成を他の構成で置換し、又は各実施例の一部構成を削除することも可能である。また、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示すものであり、製品上必要な全ての制御線や情報線を表すものでない。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えて良い。
11…減衰特性曲線(比較例1)
12…減衰特性曲線(比較例2)
13…減衰特性曲線(実施例1)
101…電子源
102…引出電極
103…アノード電極
104…絶縁フランジ
104A…ガイシ
105…真空チャンバ
105A…真空チャンバ
105B…真空チャンバ
106…メイン真空ポンプ
106A…メイン真空ポンプ
107…サブ真空ポンプ
107A…サブ真空ポンプ
108…コンデンサレンズ
109…ガイシ
110…ガイシ
111…一次電子ビーム
112…二次的な電子(二次電子や反射電子)
113…二次的な電子(再衝突後の電子)
114…ガス
115…円筒
115A…横穴
116…加熱ヒータ
117…ガイシ
118…絶縁フランジ
119…ガイシ
120…制御電極
Claims (20)
- CFE(Cold Field-Emission)電子源と、
前記CFE電子源から電子を引き出す引出電極と、
前記電子を加速して下流側に位置する光学系に出力する正(+)電位のアノード電極と、
前記アノード電極を接地電位から分離する第1の絶縁体と、
前記CFE電子源と前記アノード電極の両方を含む単一の真空チャンバと、
前記真空チャンバに接続されるイオンポンプと、
前記真空チャンバに接続されるNEG(NONEVAPORATIVE GETTER)ポンプと、
前記CFE電子源、前記引出電極、前記アノード電極、前記第1の絶縁体、前記真空チャンバ、前記イオンポンプ、前記NEGポンプを収容する鏡筒と、
前記鏡筒に連結された試料室と
を有する走査電子顕微鏡。 - 請求項1に記載の走査電子顕微鏡において、
前記引出電極を接地電位から分離する第2の絶縁体と、
前記第2の絶縁体を介して前記引出電極を前記筐体に取り付けると共に、前記アノード電極を前記引出電極と共にその内部に収容する円筒状の取付部材であり、前記鏡筒の内径よりも小さい外径を有する筒状部分に、前記取付部材の内空間と外空間を連結する少なくとも1つの横穴を有する取付部材と
を更に有することを特徴とする走査電子顕微鏡。 - 請求項2に記載の走査電子顕微鏡において、
前記アノード電極が位置する空間は、前記取付部材に形成された前記横穴と、前記取付部材の筒状部分と前記筐体との間に形成される連結路とを通じて前記電子源の位置する空間と接続される
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。 - 請求項1に記載の走査電子顕微鏡において、
前記CFE電子源は、タングステン単結晶チップ、ナノチップ、カーボンナノチューブチップ及び超電導チップのいずれかである
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。 - 請求項1に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第1の絶縁体は、セラミックス、及びエンジニアリングプラスチックのいずれかである
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。 - 請求項1に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第1の絶縁体は、前記引出電極を通過した電子が前記アノード電極に衝突した際に放出される第2の電子、及び/又は、前記第2の電子が前記アノード電極、若しくは、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第3の電子が衝突しない位置に取り付けられる
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。 - 請求項1に記載の走査電子顕微鏡において、
前記アノード電極は、前記引出電極を通過した電子が前記アノード電極に衝突した際に放出される第2の電子、及び/又は、前記第2の電子が前記アノード電極、若しくは、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第3の電子と前記第1の絶縁体との衝突を遮る構造を有する
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。 - 請求項1に記載の走査電子顕微鏡において、
前記引出電極を時間選択的に加熱可能なヒータを更に有する
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。 - 請求項1に記載の走査電子顕微鏡において、
前記引出電極と前記アノード電極の間に配置される制御電極と、
前記制御電極を接地電位から分離する第2の絶縁体と
を更に有し、
前記第2の絶縁体は、前記引出電極を通過した電子が前記制御電極に衝突した際に放出される第2の電子、並びに/又は、前記第2の電子が前記引出電極、前記アノード電極、及び/又は、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第3の電子が衝突しない位置に取り付けられる
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。 - 請求項1に記載の走査電子顕微鏡において、
前記引出電極と前記アノード電極の間に配置される制御電極と、
前記制御電極を接地電位から分離する第2の絶縁体と
を更に有し、
前記制御電極は、前記引出電極を通過した電子が前記制御電極に衝突した際に放出される第2の電子、並びに/又は、前記第2の電子が前記引出電極、前記アノード電極、及び/又は、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第3の電子と前記第2の絶縁体との衝突を遮る構造を有する
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。 - 請求項1に記載の走査電子顕微鏡において、
前記引出電極と前記アノード電極の間に配置され、かつ、構成要素の1つに第2の絶縁体を含むモノクロメータユニットを更に有し、
前記モノクロメータユニットは、前記引出電極を通過した電子が前記モノクロメータユニット内の非絶縁体に衝突した際に放出される第2の電子、並びに/又は、前記第2の電子が前記非絶縁体、前記引出電極、前記アノード電極、及び/又は、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第3の電子と前記第2の絶縁体との衝突を遮る構造を有する
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。 - CFE(Cold Field-Emission)電子源と、
前記CFE電子源から電子を引き出す引出電極と、
前記引出電極に対して上流側に位置し、前記電子源を収容する第1の真空チャンバと、
前記電子を加速して下流側に位置する光学系に出力する正(+)電位のアノード電極と、
前記アノード電極を接地電位から分離する第1の絶縁体と、
前記引出電極に対して下流側に位置し、前記アノード電極を収容する第2の真空チャンバと、
前記第1の真空チャンバに接続される第1のイオンポンプと、
前記第1の真空チャンバに接続される第1のNEG(NONEVAPORATIVE GETTER)ポンプと、
前記第2の真空チャンバに接続される第2のイオンポンプと、
前記第2の真空チャンバに接続される第2のNEG(NONEVAPORATIVE GETTER)ポンプと、
前記CFE電子源、前記引出電極、前記第1の真空チャンバ、前記アノード電極、前記第1の絶縁体、前記第2の真空チャンバ、前記第1及び第2のイオンポンプ、前記第1及び第2のNEGポンプを収容する鏡筒と、
前記鏡筒に連結された試料室と
を有する走査電子顕微鏡。 - 請求項12に記載の走査電子顕微鏡において、
前記CFE電子源は、タングステン単結晶チップ、ナノチップ、カーボンナノチューブチップ及び超電導チップのいずれかである
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。 - 請求項12に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第1の絶縁体は、セラミックス、及びエンジニアリングプラスチックのいずれかである
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。 - 請求項12に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第1の絶縁体は、前記引出電極を通過した電子が前記アノード電極に衝突した際に放出される第2の電子、及び/又は、前記第2の電子が前記アノード電極、若しくは、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第3の電子が衝突しない位置に取り付けられる
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。 - 請求項12に記載の走査電子顕微鏡において、
前記アノード電極は、前記引出電極を通過した電子が前記アノード電極に衝突した際に放出される第2の電子、及び/又は、前記第2の電子が前記アノード電極、若しくは、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第3の電子と前記第1の絶縁体との衝突を遮る構造を有する
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。 - 請求項12に記載の走査電子顕微鏡において、
前記引出電極を時間選択的に加熱可能なヒータを更に有する
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。 - 請求項12に記載の走査電子顕微鏡において、
前記引出電極と前記アノード電極の間に配置される制御電極と、
前記制御電極を接地電位から分離する第2の絶縁体と
を更に有し、
前記第2の絶縁体は、前記引出電極を通過した電子が前記制御電極に衝突した際に放出される第2の電子、並びに/又は、前記第2の電子が前記引出電極、前記アノード電極、及び/又は、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第3の電子が衝突しない位置に取り付けられる
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。 - 請求項12に記載の走査電子顕微鏡において、
前記引出電極と前記アノード電極の間に配置される制御電極と、
前記制御電極を接地電位から分離する第2の絶縁体と
を更に有し、
前記制御電極は、前記引出電極を通過した電子が前記制御電極に衝突した際に放出される第2の電子、並びに/又は、前記第2の電子が前記引出電極、前記アノード電極、及び/又は、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第3の電子と前記第2の絶縁体との衝突を遮る構造を有する
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。 - 請求項12に記載の走査電子顕微鏡において、
前記引出電極と前記アノード電極の間に配置され、かつ、構成要素の1つに第2の絶縁体を含むモノクロメータユニットを更に有し、
前記モノクロメータユニットは、前記引出電極を通過した電子が前記モノクロメータユニット内の非絶縁体に衝突した際に放出される第2の電子、並びに/又は、前記第2の電子が前記非絶縁体、前記引出電極、前記アノード電極、及び/又は、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第3の電子と前記第2の絶縁体との衝突を遮る構造を有する
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
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